Ć W I C Z E N I E nr 9 BADANIE TRANSFORMATORA JEDNOFAZOWEGO

Transkrypt

1 Ć W I C Z E N I E nr 9 BADANIE TRANSFORMATORA JEDNOFAZOWEGO CEL ĆWICZENIA: poznanie zasady działania, budowy, właściwości i metod badania transformatora. PROGRAM ĆWICZENIA. Wiadomości ogólne.. Budowa i zasada działania transformatora..stan jałowy transformatora.3.stan obciążenia transformatora.4.straty mocy czynnej i sprawność transformatora.5.charakterystyka zewnętrzna i zmienność napięcia transformatora. Badania laboratoryjne..schemat układu połączeń..wykonanie pomiarów.3.opracowanie wyników pomiarów 3. Uwagi i wnioski 4. Pytania kontrolne

2 . WIADOMOŚCI OGÓLNE.. Budowa i zasada działania transformatora Transformator jest urządzeniem elektrycznym, działającym na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, służącym do zmiany wartości napięć i prądów przemiennych przy prawie niezmiennej mocy. Transformator jest scharakteryzowany przez następujące ważniejsze wielkości znamionowe: a) moc pozorna w V*A, kv*a lub MV*A, b) napięcia pierwotne i wtórne w V lub kv, c) prądy pierwotny i wtórny w A lub ka. Ze względu na zastosowanie i wartość mocy transformatory można podzielić na dwie zasadnicze grupy: -- transformatory jednofazowe, o mocach do kilkuset woltoamperów. Transformatory te są stosowane między innymi w miernictwie elektrycznym, jako tzw. przekładniki oraz w elektronice jako transformatory zasilające urządzenia elektroniczne. -- transformatory trójfazowe, o mocach, dochodzących do kilkuset magawoltoamperów i napięciach rzędu setek kilowoltów. Są to najczęściej transformatory olejowe, w których olej spełnia rolę czynnika chłodzącego oraz stanowi dodatkową izolację elektryczną. Transformatory te stosowane są przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Zasadniczymi elementami transformatora jednofazowego są: a) obwód magnetyczny, tzw. rdzeń, wykonany z pakietu cienkich (o grubości 0,35 mm) blach ferromagnetycznych, odizolowanych elektrycznie od siebie, będących stopem żelaza o znikomej zawartości węgla (ok. 0,05%) oraz krzemu (ok. 3,5%), b) co najmniej dwa uzwojenia elektryczne, wykonane z izolowanego drutu nawojowego, najczęściej miedzianego, umieszczone na rdzeniu. Na rys. przedstawiono schemat transformatora jednofazowego. Rys.. Schemat transformatora jednofazowego: M- obwód magnetyczny (rdzeń); φ- strumień magnetyczny w rdzeniu; z, z - liczby zwojów, odpowiednio: uzwojenia pierwotnego i wtórnego; G- źródło napięcia zasilającego; O- odbiornik energii elektrycznej; U, I - odpowiednio: napięcie pierwotne i prąd pierwotny; U, I - odpowiednio: napięcie wtórne i prąd wtórny. Uzwojenie, do którego przyłożone jest napięcie zasilające nazywa się uzwojeniem pierwotnym, natomiast uzwojenie, do którego przyłączony jest odbiornik- uzwojeniem

3 wtórnym. Przepływ energii elektrycznej odbywa się w kierunku od źródła zasilającego do odbiornika. Nośnikiem energii w transformatorze jest strumień magnetyczny. Napięcie wtórne jest na ogół różne od napięcia pierwotnego. Jeżeli napięcie wtórne jest wyższe od napięcia pierwotnego, to transformator jest transformatorem podwyższającym napięcie, w przeciwnym przypadku- transformatorem obniżającym napięcie. Należy zaznaczyć, że ten sam transformator może być podwyższającym lub obniżającym napięcie w zależności od kierunku przepływającej energii... Stan jałowy transformatora W stanie jałowym transformatora uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia sinusoidalnie zmiennego, a uzwojenie wtórne jest rozwarte tzn., że do zacisków tego uzwojenia nie jest przyłączony odbiornik i prąd I 0. Wówczas w uzwojeniu pierwotnym płynie tzw. prąd jałowy I o, którego wartość nie przekracza zwykle 0% prądu znamionowego. Prąd jałowy ma dwie składowe: bierną, związaną z wytwarzaniem strumienia w rdzeniu i czynną, związaną ze stratami mocy czynnej w rdzeniu. Udział tej drugiej w prądzie jałowym jest b. mały (współczynnik mocy transformatora w stanie jałowym cosϕ o (0,-0,3) i w dalszych rozważaniach można przyjąć, że strumień magnetyczny jest wytwarzany przez amperozwoje I o z. Sinusoidalnie zmienny strumień magnetyczny φ, skojarzony z uzwojeniami pierwotnym i wtórnym, indukuje w nich- zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznejsiły elektromotoryczne, o wartościach chwilowych, odpowiednio e z d φ () dt e z d φ () dt Dla wartości skutecznych wyrażenia () i () przyjmują następujące postacie E 444, fzφ m (3) E 444, fzφ m (4) gdzie:φ m - amplituda strumienia magnetycznego w rdzeniu w Wb, f- częstotliwość w Hz Dzieląc stronami wyrażenia (3) i (4) otrzymuje się wzór na przekładnię transformatora E z ϑ (5) E z W stanie jałowym prąd I 0, zatem U E, jeżeli jednocześnie założymy, że prąd I 0 0, to spadek napięcia w uzwojeniu pierwotnym będzie równy zeru i U E. Wówczas wzór (5) przyjmie postać, która nazywa się prawem transformacji napięć U z (6) U z Prawo transformacji napięć stosuje się w przekładnikach napięciowych, które są transformatorami obniżającymi wysokie napięcie (np. 6 kv) do wartości 00 V, co umożliwia pośredni pomiar tych napięć typowymi woltomierzami. Uzwojenie pierwotne przekładników prądowych dołączone jest do mierzonego napięcia, natomiast uzwojenie wtórne zasila woltomierz. 3

4 .3. Stan obciążenia transformatora Jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy odbiornik, to pod wpływem siły elektromotorycznej E w obwodzie wtórnym transformatora popłynie prąd I. Prąd ten, przepływając przez uzwojenie wtórne wytworzy strumień magnetyczny skierowany (zgodnie z regułą Lenza) przeciwnie do strumienia magnetycznego φ. Ponieważ napięcie pierwotne U nie uległo zmianie, to również strumień φ nie może się zmienić. Zatem w uzwojeniu pierwotnym popłynie taki prąd I, aby amperozwoje wypadkowe obydwu uzwojeń miały poprzednią wartość I 0 z, czyli Iz Iz Iz 0 (7) Jeżeli przyjąć jak poprzednio, że prąd jałowy I 0 0, to otrzymamy zależność, określającą prawo transformacji prądów Iz Iz (8) lub I z (9) I z ϑ Prawo transformacji prądów wykorzystuje się w przekładnikach prądowych, czyli w transformatorach obniżających b. duże prądy do wartości 5 A, umożliwiające pomiar pośredni tych prądów przy użyciu typowych amperomierzy. Uzwojenie pierwotne przekładników prądowych włączą się szeregowo w obwód mierzonego prądu, natomiast do uzwojenia wtórnego przyłącza się amperomierz. Moc pozorna transformatora po stronie pierwotnej wyraża się zależnością S UI (0) natomiast po stronie wtórnej S UI () Uwzględniając zależności (6) i (8) otrzymuje się prawo transformacji mocy S S () Jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego transformatora dołączy się odbiornik o impedancji Z0, to U Z0 (3) I wówczas impedancja między zaciskami pierwotnymi U Z (4) I Uwzględniając zależności (6) i (8) otrzymuje się prawo transformacji impedancji Z Zϑ (5) 0.4. Straty mocy czynnej i sprawność transformatora W transformatorze występują straty mocy czynnej w rdzeniu i uzwojeniach, powodujące nagrzewanie się tych elementów. Podczas przemagnesowania rdzenia przemiennym strumieniem magnetycznym φ powstają straty histerezowe P h ~ f B m (6) gdzie Bm -amplituda indukcji w rdzeniu, wyrażająca się zależnością B m φ m /s Fe, w której s jest przekrojem poprzecznym rdzenia. Fe 4

5 Jednocześnie przemienny strumień magnetyczny indukuje w rdzeniu prądy wirowe, które są przyczyną powstawania strat wiroprądowych P w ~ d f B m (7) w zależności tej wielkość d jest grubością blachy rdzenia Całkowite straty mocy w rdzeniu, czyli tzw. straty jałowe transformatora P P + P ~ B m (8) Fe h w Przy stałej częstotliwości f zachodzi proporcjonalność Φ m ~U, a stąd P Fe ~U (9) Jakość blach użytych do budowy rdzeni transformatorów ocenia się na podstawie stratności magnetycznej, czyli ilorazu całkowitych strat mocy w rdzeniu P Fe (w W) i masy rdzenia m Fe ( w kg). Obecnie podstawowym materiałem stosowanym do budowy rdzeni (patrz p..) jest blacha zimnowalcowana o stratności magnetycznej ok. 0,5 W/kg dla B m T i f 50 Hz. Straty jałowe wyznacza się w stanie jałowym transformatora, mierząc moc czynną watom ierzem, włączonym w obwód pierwotny. Ponieważ w stanie jałowym prąd I 0 jest b. mały, można przyjąć, że wskazanie watomierza P w P Fe. Straty jałowe są praktycznie niezależne od obciążenia transformatora, gdyż indukcja magnetyczna w rdzeniu prawie nie zmienia swojej wartości ( U const; B m const ) Współczynnik mocy transformatora w stanie jałowym (patrz p...) wyznacza się ze wzoru cosϕ 0 P Fe (0) UI W stanie obciążenia transformatora w obydwu uzwojeniach płyną prądy, które powodują występowanie strat mocy w uzwojeniach, czyli tzw. strat obciążeniowych P I R + u IR () gdzie: I, I - odpowiednio: prąd pierwotny i prąd wtórny; R, R - odpowiednio: rezystancje uzwojenia pierwotnego i uzwojenia wtórnego. Ze względu na straty mocy czynnej w transformatorze moc P oddawana do odbiornika jest mniejsza od mocy P, pobieranej przez transformator. Dla oceny jakości transformatora wyznacza się jego sprawność z zależności P P η P P + PFe + Pu W stanie jałowym sprawność jest równa zeru, a przy około 75% obciążenia znamionowego osiąga maksimum. Sprawność transformatorów energetycznych b. dużych mocy osiąga wartość (9-99)%, natomiast dla transformatorów jednofazowych małej mocy nie przekracza zwykle 80%. Na rys. przedstawiona jest zależność sprawności η od prądu obciążenia I transformatora. 5 ()

6 Rys.. Charakterystyka sprawności Rys.3. Charakterystyka zewnętrzna.5. Charakterystyka zewnętrzna i zmienność napięcia transformatora Transformator podczas normalnej pracuje przy napięciu pierwotnym U o prawie stałej wartości i zmiennym obciążeniu. Przy wzroście obciążenia prądy I i I rosną, w związku z czym rosną spadki napięć w uzwojeniu pierwotnym i uzwojeniu wtórnym i napięcie wtórne nieco maleje. Ilustruje to charakterystyka zewnętrzna transformatora U f ( I ), przedstawiona na rys.3. Dla określenia spadków napięć w uzwojeniach transformatora operuje się tzw. zmiennością napięcia U U U o % 00% (3) Uo gdzie: U o - napięcie wtórne w stanie jałowym; U - napięcie wtórne przy obciążeniu znamionowym. W prawidłowo zaprojektowanym transformatorze zmienność napięcia nie powinna przekraczać kilku procent napięcia znamionowego. 6

7 . BADANIA LABORATORYJNE.. Schemat układu połączeń Wykaz aparatury i jej dane znamionowe: AT- autotransformator regulacyjny... T- transformator badany... O- odbiornik... A -amperomierz... V -woltomierz... W -watomierz... A -amperomierz... V -woltomierz... W -watomierz... W- wyłącznik..... Wykonanie pomiarów Badanie transformatora należy przeprowadzić zgodnie z instrukcją dodatkową. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli. Lp. U I α k w P U I α k w P η V A dz W/dz W V A dz W/dz W - Przykłady obliczeń: P α k w P α k w P η P 7

8 .3. Opracowanie wyników pomiarów a) Dane znamionowe transformatora: U I U I Sn b) Wykreślić charakterystyki U f(i ) oraz η f(i ) c) Obliczyć przekładnię transformatora U o ϑ Uo d) Wyznaczyć prąd jałowy I o e) Obliczyć procentowy udział prądu jałowego w prądzie znamionowym I I o o% 00% I f) Obliczyć zmienność napięcia U U U o % 00% Uo g) Wyznaczyć straty jałowe (straty mocy czynnej w rdzeniu) PFe P o h) Obliczyć całkowite straty mocy dla znamionowego obciążenia transformatora Pn P n P i) Obliczyć straty obciążeniowe (straty mocy czynnej w uzwojeniach) dla znamionowego obciążenia Pu Pn PFe j) Wyznaczyć sprawność maksymalną i wartość prądu wtórnego, dla którego ona występuje η m ax dla I k) Obliczyć współczynnik mocy transformatora w stanie jałowym P o cosϕ o U oio l) Obliczyć współczynnik mocy po stronie pierwotnej i po stronie wtórnej transformatora przy obciążeniu znamionowym P n cosϕ U I cosϕ P U I 8

9 UWAGA! - indeksy "" i "", dotyczą odpowiednio strony pierwotnej i strony wtórnej transformatora, - indeks "o" dotyczy stanu jałowego transformatora (pomiar pierwszy), - indeks "n" dotyczy obciążenia znamionowego transformatora (pomiar ostatni). 3. UWAGI I WNIOSKI 4. PYTANIA KONTROLNE. Jakie są zasadnicze elementy transformatora?. Omówić zasadę działania transformatora. 3. Z jakiego materiału wykonany jest rdzeń transformatora i dlaczego? 4. Czy transformator przedstawiony na rys. jest podwyższającym napięcie? 5. Co to jest przekładnia transformatora i jak się ją wyznacza? 6. Co to jest stan jałowy transformatora? 7. Co to są straty straty jałowe transformatora i od czego zależą? 8. Omówić sposób pomiaru strat jałowych. 9. Na czym polega obciążenie transformatora. 0. Co to są straty obciążeniowe transformatora i od czego zależą?. Podać wszystkie prawa transformacji. 9